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文章信息

第一作者：祖道远广东工业大学生态环境与资源学院

通讯作者：马金星教授广东工业大学生态环境与资源学院

第一单位：广东工业大学生态环境与资源学院

论文DOI：10.1016/j.watres.2025.123489

亮点

• 评估了还原剂驱动类芬顿体系的环境影响

• 实施全因子优化实验缩小系统参数边界

• 还原剂还原效率与单位环境影响之间存在平衡关系

• 大宗化学品还原剂因规模经济效应具有环境优势

• 扩大生产规模与利用可再生能源是关键优化策略

研究进展

论文简介

近日，我院马金星教授课题组在环境领域知名学术期刊Water Research上发表了题为“Comparativelifecycleassessment of Fenton-likesystems:Insights intotheenvironmentalbenefits ofreductant-drivenstrategies”的研究论文。

基于还原剂驱动的芬顿类高级氧化工艺（AOPs）在降低过渡金属与氧化剂消耗方面具有潜在优势，然而，引入还原剂所带来的环境影响仍不明确。本研究采用生命周期评估（LCA）方法，系统分析还原剂驱动的芬顿类体系作为传统AOP替代策略的环境影响。研究针对五种不同的芬顿类体系，在优化运行参数的基础上构建了相应的生命周期清单。结果表明，引入还原剂导致环境影响热点从氧化剂转移至还原剂。大宗化学品还原剂（如羟胺和抗坏血酸）受益于规模经济效应，显著降低了能耗和环境负担，其单位累积能源需求（CED）及环境损害值相对特种化学品还原剂低两个数量级。因此，对于可能伴随高能耗和有毒副产物的新型催化剂，需综合评估其催化效率与单位环境影响，以确定整体环境效益。此外，扩大化学品生产规模、实施再生策略以及向可再生能源转型是进一步提升该类催化剂环境可持续性的关键途径。本研究建立了定量评估芬顿类替代体系环境影响的框架，为设计更具环境可持续性的水处理技术提供科学依据。

图文导读

在还原剂驱动的芬顿类体系中，还原剂对自由基的猝灭效应低于Fe²⁺，这一特性可减少体系中过量富电子组分与污染物竞争活性物种的现象，从而提升氧化剂PMS的利用效率，使还原剂驱动的芬顿类体系在实现相同功能单元时所需的PMS投加量低于Fe/PMS体系。如图1所示，所有还原剂驱动的芬顿类体系所需的PMS投加量均低于Fe/PMS体系。同时，由于不同还原剂的理化性质存在差异，各体系在实现相同功能单元时的试剂消耗量也不尽相同。以抗坏血酸（VC）和盐酸羟胺（HA）为例，二者均为均相还原剂，但HA对PMS的相对惰性使得HA/Fe/PMS体系的还原剂与PMS消耗量显著低于VC/Fe/PMS体系。对于MoS₂和MXene等非均相还原剂而言，由于固液传质限制，其对活性氧物种及PMS的猝灭作用较弱，因此PMS与还原剂的利用效率较高。在四种还原剂驱动的体系中，MoS₂/Fe/PMS体系在实现相同降解效率时所需的PMS投加量最低，而MXene/Fe/PMS体系的还原剂消耗量最低。

图1：还原剂驱动类芬顿体系的全因子参数优化热点图。

累积能源需求（Cumulative Energy Demand, CED）表示产品整个生命周期内直接或间接消耗的总初级能源，包括原材料开采、制造及处置过程。能源类型可分为不可再生能源（化石燃料、核能和生物质）和可再生能源（生物质、风能、太阳能、地热能和水能）。显然，较低的CED以及较少的不可再生能源占比意味着更优的环境效益。图2展示了不同芬顿类体系的CED及其能源构成。Fe/PMS体系在实现功能单元时的CED为0.21 kJ。采用均相还原剂（如HA和VC）的芬顿类体系（HA/Fe/PMS和VC/Fe/PMS体系）相比Fe/PMS体系表现出更低的CED，表明还原剂促进Fe²⁺循环可有效降低能耗。然而，采用MXene和MoS₂作为还原剂的体系CED显著升高，其中MoS₂/Fe/PMS体系的CED高达4.49 kJ，约为Fe/PMS体系的21倍。尽管MoS₂的引入可在最低氧化剂和过渡金属剂量下维持芬顿类体系活性，但该体系的总体CED大幅上升，使其在能耗方面成为环境不利的替代方案。从能源结构来看，所有体系的主要能耗均来源于化学试剂，因此对不可再生的化石能源高度依赖。在所有评估体系中，不可再生能源消耗占比均超过75%。

图2：还原剂驱动类芬顿体系的累计能源需求。

为进一步追踪不同芬顿类体系能耗的差异及其来源，本研究开展了贡献分析（图3）。在HA和VC体系中，与Fe/PMS体系相比，PMS的投加量分别减少了80%和50%。此外，这两种还原剂的CED显著低于因氧化剂消耗减少所带来的能量节约效益，体现出积极的能源效率优势。然而，在MoS₂和MXene驱动的体系中，尽管其氧化剂利用效率更高，但MoS₂和MXene的生产过程中涉及的高能耗极大地抵消了这一优势。其中，生产过程中的电力消耗分别占MoS₂和MXene体系总CED的90%和76%。因此，优化能源来源或提高能源利用效率对降低其整体CED至关重要。以可再生能源占比更高的瑞士电力来源替代中国平均电力，在该情境下，MXene/Fe/PMS体系的CED降至0.13 kJ，低于Fe/PMS体系。此外，其能源结构中可再生能源占比显著提高（54%），使其成为潜在的环境友好型替代方案。尽管MoS₂/Fe/PMS体系在可再生能源替代下的CED也有所降低，但由于MoS₂用量较高，其CED仍显著高于Fe/PMS体系。

图3：还原剂驱动类芬顿体系的累计能源需求的桑基图。

虽然CED能够量化不同芬顿类体系的能耗差异，但其未能全面反映材料使用及排放所带来的更广泛环境影响。为弥补这一局限性，本研究采用ReCiPe 2016方法，并利用特征化因子量化环境负担。对于传统的Fe/PMS体系，其主要环境影响来源于氧化剂PMS，在18个中点环境指标中的17个占据主导地位，其中12个指标的贡献率超过80%。当引入还原剂后，还原剂成为环境影响的重要贡献因素。在HA和VC驱动的芬顿类体系中，大多数环境影响类别均由PMS和还原剂共同决定。其中，羟胺在MEP（海洋生态毒性）类别中的显著主导效应可能与其氮释放有关。当MXene和MoS₂作为还原剂时，其高能耗和高化学消耗的合成过程使其成为环境影响的主要来源，这凸显了针对这些材料开发可持续生产路径的必要性。相比于均相非金属还原剂，非均相金属还原剂更易于分离和回收，从而减少高生物毒性原材料带来的环境损害。基于这一原理，本研究针对MXene/Fe/PMS和MoS_2/Fe/PMS体系开发了金属污泥回收路径。该方法不仅降低了污泥填埋带来的环境损害，还促进了MXene和MoS₂前驱体TiO₂和MoO₃的再生。通过金属污泥再生过程，MoS₂/Fe/PMS和MXene/Fe/PMS体系的环境损害分别降低至119.2和7.9 mPt。因此，对于新型催化剂，尤其是涉及高毒性原材料的催化剂，应更加关注资源回收与再生过程，以降低整体环境影响。

图4：各种类芬顿系统的归一化环境影响及贡献分析。

在生命周期评估（LCA）中，本研究选择在实现功能单元的条件下，环境影响最低的优化参数进行比较。然而，这些结果可能无法完全反映体系的边界条件，从而引入环境影响评估的不确定性，并影响决策过程。为此，本研究进行了蒙特卡洛模拟（1000次运行），以探讨基于系统参数范围定义的环境影响不确定性及潜在偏差。此方法能够为决策者提供对LCA结果可靠性的更全面理解，提升决策的科学性和稳健性。各体系的变异系数相近（10–19%），表明边界条件带来的不确定性相当。值得注意的是，HA/Fe/PMS和VC/Fe/PMS体系的最大置信值均低于Fe/PMS体系的最小置信值，表明相较于Fe/PMS体系，采用非金属还原剂的体系在实现相同功能单元时能耗更低。相反，MoS₂/Fe/PMS体系的最小值高于Fe/PMS体系的最大值，表明其能耗更高。而MXene/Fe/PMS体系的置信区间与Fe/PMS体系存在重叠，其中23%的模拟CED值低于Fe/PMS体系的平均CED（177 J），因此需要进一步精准界定体系边界。在环境损害方面，结果趋势与CED一致。然而，MXene/Fe/PMS体系的置信区间整体低于Fe/PMS体系的最小区间，表明MXene/Fe/PMS体系作为Fe/PMS体系的替代方案，能够提供环境效益。

图5：各类芬顿体系的累计能源需求和环境损伤进行1000次蒙特卡洛模拟。

本研究对传统Fe/PMS系统和四种还原剂驱动的Fenton-like系统进行了全面的生命周期评估（LCA）。通过构建详细的生命周期清单（LCI），涵盖了物质、能量和废弃流，以评估用还原剂替代过渡金属的环境效益。采用全因子实验设计优化了系统参数，最大限度地减少了随后的LCA分析中的不确定性。通过使用累积能量需求（CED）和终端环境损害作为定量指标，识别了环境热点，并提出了优化策略。我们期待LCA能够成为一个优越和全面的环境影响评估工具，为类芬顿系统决策提供有力支持。

致谢：本研究得到国家自然科学基金基础科学中心项目（52388101）、广东省引进创新创业团队计划和广东省杰出青年科学基金等资助。